對信號設備電源短路故障的分析與思考

胡勇

【摘要】通過電源短路熔斷器不熔斷的故障現象，從深層次對電路進行分析思考，面對現實情況提出需要關注的問題和對策。

【關鍵詞】電源 短路 分析 思考

電源短路，就是為負載供電的電源在負載之前的線路發生混線，直接短路負載的故障現象。當電源發生短路時，正常情況一般都是電路中的保護裝置熔斷器迅速熔斷，以保護電氣設備及電線路不受損壞。但在實踐中很多接口電路，因其控制距離長及控制電源低等因素，當電源發生短路時，熔斷器并不熔斷。現通過一起繼電接口電路的電源短路故障，來分析和討論電路在應用中的現實問題。

1 問題的提出

圖 1 是站臺按鈕功能的接口電路，直流電源 LZ24/LF24 由集中站電源屏引出，為非集中站IBP 盤及設在集中站的繼電器提供電源。某地鐵線非集中站車控室綜合后備盤內的電源端子發生短路故障（圖 1 中①處），但設在集中站的 0.5A 熔斷器并未熔斷。《信號鐵路工程設計技術手冊》對熔斷器的要求是“電源回路中任何一處發生短路故障時，將使線路通過的電流值迅速增長到（或超過）熔斷器的熔斷電流值，使它立即熔斷，以保護電氣設備不受損傷”。顯然，電路并不符合這項要求，由此也對接口電路進行更深層次的分析和思考。

2 短路電流的計算

發生電源短路故障的集中站與非集中站的站間距離為 2 093 m，線路的電纜長度是 2 338 m，使用 φ1.0 單芯電纜傳輸。按照電纜的技術參數，直徑為 1 mm 的單芯銅線，當溫度在 20℃時，每米長有效電阻不大于 0.023 5 Ω。當電源短路后，其短路電流全部分配給纜線內阻 R。依據歐姆定律U=I×R，電纜取每米有效電阻 0.023 5 Ω，電源取 24 V（不考慮波動），則線路中的短路電流 I=U/R=24/0.023 5×233 8×2=0.218 A（除2 是指線路的兩條控制線），遠小于線路中熔斷器 0.5 A，所以熔斷器不熔斷。如果在負載側（圖 1 中②）出現短路，由于控制電路纜線路徑的迂回，線路中的短路電流將更小。

3 電纜最大傳輸距離的確定

電纜的傳輸距離與負載的工作電壓、線路允許壓降、負載電流、導線截面積等諸多因素有關。確定電纜的控制長度時，應考慮電纜抵消傳輸線路的衰耗后，能滿足末端設備可靠工作。

1）以圖所示的JWXC-1700型繼電器為例，

其最小可靠工作值為16.8V，繼電器的電阻為1700Ω，則線路中的電流I=U/R=16.8/1 700≈0.01 A，計算時電源考慮-5%的波動，則線路

允許壓降 u=24 V×95%-16.8=6 V，線路的總內阻 r=u/I=6/0.01=600 Ω，那么電纜的控制距離L=600/0.023 5/2=12 765 m，也就是直流24V電源采用單芯電纜控制，考慮電路衰耗因素后，能滿足終端負載繼電器可靠工作的最大距離。

2）電纜短路時熔斷器熔斷的最大距離，在不考慮電源波動條件下，熔斷器熔斷時的最小電流為0.5A。此時，線路的最大電阻R=U/I=24/0.5=48 Ω，也就是線路的內阻，其最大長度

L=48 Ω/0.023 5 Ω/2=1 021 m。這就是說在理想狀態下，電源 24 V 0.5 A 采用單芯電纜傳輸的最大距離不應超過 1 021 m，超過這個距離因電線路內阻的增大，線路中的電流將小于 0.5 A，熔斷器將不再熔斷。

《信號設計規范》1.0.11 涉及行車安全的鐵路信號系統及電路設計，必須符合“故障導向安全”的要求。這是設計信號系統和電路設計遵循的基本原則。現對圖 1 中①電路分析如下。

1）控制條件的站臺按鈕接點設在控制電源和負

載繼電器之間，電路采用具有“故障 - 安全”功能的位置法防護，當繼電器的兩條控制線之發生混線時，因繼電器失去電源可靠落下，符合“故障 -安全”原則。

2）繼電器的吸起狀態與正常使用狀態相對應，

電路具有安全對應的閉合電路法防護功能。當控制線斷線繼電器落下，符合“故障 - 安全”原則。

3）電路采用雙斷法防護，當控制線之一混入其他電源時（圖 1 中②處），不致使繼電器錯誤吸起，能有效減少危險側故障率的發生。

4）電路中設有熔斷器，其作用為了防止電源線路短路或過負載而引起的電線路或電氣設備燒損。既使控制電路傳輸長度超過熔斷器不熔斷的控制距離，由于電線路內阻的存在，也不會對電線路造成損害，因為熔斷器電流 0.5 A 遠小于電線路導線安全載流量的最大電流（組成電路的室內導線23×0.15 電流 11 A，室外導線 φ1.0 mm 電纜電流 16 A）。

通過對圖 1 的分析，可以得出這樣的結論 ：一是由于電路采用了多種安全防護措施，電路具有“故障 - 安全”功能。二是電源短路熔斷器不熔斷并不等于熔斷器不發揮作用。當電路中超過其安全電流 0.5 A 時，同樣能斷開電路，以保護電氣設備不受損傷。這里所說的電氣設備是指變壓器、繼電器、電線路等。

5 需要關注的問題

1）完整可靠的保安系統不僅能保證供電設備的安全，而且對設備發生故障時，還可以縮小故障范圍和便于查找故障點。本文舉例故障雖然不會對電氣設備造成損害，但可能誤導維修人員不認為是電源短路故障而延誤時間，特別是缺乏經驗的人。如果熔斷器能迅速熔斷，維修人員就能直觀準確的判斷為電源短路，為排除故障贏得時間。

2）盡可能從施工工藝和維修養護等方面來嚴

格防止混線故障的發生。針對負載側提供控制電源，電纜線路存在迂回，為防止兩條控制線都混入不同極性的電源（圖 1 中 X1 與 X3，X2 與 X4 短路），可考慮把控制條件兩端的芯線分纜設計，或把控制條件兩端的電纜分配在不同的芯線組隔開使用。

地鐵繼電接口電路使用的繼電器一般都是 JWXC-1700 無極繼電器，這種繼電器不能鑒別勵磁電流的極性，沒有混線防護性能。如果改用JPXC-1000 偏極繼電器，可利用其特有的電源極性防護功能，來減少危險側故障率的發生。

4）地鐵每個聯鎖區都有較多的接口。如站臺功能的各種按鈕、屏蔽門等，區間功能的防淹門，站間功能的車輛段、停車場、試車線、洗車線及與其他線路接軌的聯絡線等。由于地鐵站間距離長，有的聯鎖區站間距離超過 4 km，加之電纜路徑迂回的距離，電纜總長度甚至超過 9 km，既使加芯也需要加很多的芯線，從經濟角度考慮采用加芯解決熔斷器不熔斷的問題不現實。

5）有些特殊情況下產生的故障是難以考慮的。

如在繼電器的兩端混入能使其錯誤動作的不同極性的電源等。這類故障除采用盡可能完善的設計系統和電路外，還要依靠加強檢查維修和測試監督等輔助手段，來防止危險故障的發生，或將危險性降到可接受的最低限度。

6）電源與負載同側成倍增加了電纜線條數。設計站聯電路的主要技術條件之一就是要求“盡量減少站間聯系電路的線條數”。而電源與負載同側方案，每個繼電器電路都需要增加 2 條控制電源的線條數，由于電源線較多，不利于電纜芯線間的混線防護。

【參考文獻】

[1]中國鐵路通信信號總公司研究設計院 . 鐵路工程設計技術手冊（信號）[S]. 北京 ：中國鐵道出版社，1993.

[2]伍文卿，毛大地 . 6502 電氣集中電路（修訂版）[M]. 北京 ：中國鐵道出版社，1997.